Profinet là gì? Phân biệt Profinet và Ethernet

Profinet là một giao thức truyền thông trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển công nghiệp. Nó được sử dụng để kết nối và truyền dữ liệu giữa các thiết bị và hệ thống trong một mạng công nghiệp. Với tốc độ truyền dữ liệu cao, tính linh hoạt và khả năng tích hợp dễ dàng với các thiết bị và ứng dụng khác, Profinet đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các hệ thống tự động hóa thông minh và hiệu quả trong công nghiệp.

1. Profinet là gì?

Profinet là một giải pháp mạng Ethernet công nghiệp mở được sử dụng trong lĩnh vực tự động hóa. Nó cho phép truyền dữ liệu giữa các thiết bị và bộ điều khiển trong một hệ thống tự động hóa. Với tính mở và khả năng tương thích với nhiều thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau, Profinet đã trở thành tiêu chuẩn Ethernet hàng đầu trong công nghiệp.

Profinet sử dụng giao thức Ethernet để xác định việc truyền thông giữa các thành phần trong hệ thống. Nó hỗ trợ giao tiếp theo chu kỳ và không theo chu kỳ, đảm bảo truyền dữ liệu chính xác và đồng bộ. Mạng Profinet có thể chứa các giao thức Ethernet khác nhau, tạo điều kiện cho tích hợp và mở rộng hệ thống.

Với sự phát triển của Profinet , nhiều nhà sản xuất đã phát triển các thiết bị và công cụ tương thích, như PLC, PAC, ổ cứng, robot và proxy. Điều này mang lại sự linh hoạt và lựa chọn đa dạng cho việc xây dựng các hệ thống tự động hóa hiệu quả trong các môi trường công nghiệp.

2. Lịch sử ra đời của Profinet

Công nghệ Profinet được phát triển và công bố bởi PROFIBUS & Profinet International vào đầu những năm 2000. Profinet là một giải pháp Ethernet công nghiệp tiêu chuẩn mở và đột phá, được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các bộ điều khiển và thiết bị trong tự động hóa công nghiệp. 

Khái niệm của Profinet đơn giản là đáp ứng mọi yêu cầu công nghệ trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn Công nghệ thông tin và truyền thông (CNTT) như TCP/IP và XML để giao tiếp, cấu hình và chẩn đoán các thiết bị và máy hiện trường. 

Với tính linh hoạt và khả năng tích hợp vượt trội, Profinet đã trở thành một giải pháp Ethernet công nghiệp được áp dụng rộng rãi và thành công trong ngành công nghiệp hiện nay.

3. Ưu điểm và lợi ích nổi bật của Profinet

Linh hoạt: Profinet cung cấp các phương pháp linh hoạt nhất để cải thiện năng suất. Nó cho phép tích hợp các hệ thống Fieldbus khác một cách dễ dàng thông qua cổng/proxy.

Tiêu chuẩn mở: Profinet là một tiêu chuẩn mở cho phép nhiều nhà sản xuất phát triển các sản phẩm và giải pháp tương thích với nó. Điều này tạo ra sự linh hoạt và khả năng lựa chọn đa dạng cho người dùng.

Hiệu suất: Profinet sử dụng giao thức Ethernet công nghiệp, cho phép truyền dữ liệu nhanh chóng và ổn định. Điều này giúp tăng hiệu suất và thời gian đáp ứng của hệ thống tự động hóa.

Hiệu quả: Profinet cung cấp các tùy chọn chẩn đoán và giám sát chi tiết, giúp phát hiện và sửa chữa lỗi một cách nhanh chóng. Điều này giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống và giảm thiểu thời gian chết.

Khả năng truy cập dữ liệu minh bạch: Profinet cho phép truy cập dữ liệu một cách minh bạch, giúp cung cấp thông tin chi tiết và chính xác về trạng thái và hoạt động của các thiết bị trong hệ thống tự động hóa.

Độ tin cậy cao: Profinet có độ tin cậy cao và khả năng hoạt động ổn định. Điều này đảm bảo rằng hệ thống tự động hóa luôn hoạt động một cách đáng tin cậy và hiệu quả.

An toàn: Profinet  giúp ngăn ngừa các rủi ro và nguy hiểm trong quá trình vận hành máy móc công nghiệp.

>>> Profinet sẽ được ứng dụng nhiều trong công nghiệp 4.0, chúng ta cùng tìm hiểu: Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 là gì? Ưu điểm và hạn chế

4. Nguyên lý hoạt động của giao thức Profinet

Profinet hoạt động dựa trên nguyên lý cung cấp giao tiếp xác định và tốc độ cao trong môi trường tự động hóa công nghiệp. Để đáp ứng yêu cầu này, Profinet sử dụng các kênh truyền thông khác nhau như TCP/IP, thời gian thực (RT), thời gian thực đẳng thời (IRT) và TSN.

Trong các tác vụ không yêu cầu tính xác định thời gian, Profinet sử dụng giao tiếp TCP/IP hoặc UDP/IP. Tuy nhiên, để đảm bảo tính xác định và tốc độ cao cho các ứng dụng quan trọng về thời gian, Profinet sử dụng RT. Giao tiếp này truyền trực tiếp dữ liệu từ Ethernet, Layer 2, đến Profinet sau đó qua Layer7, bỏ qua các Layer TCP/IP để tránh độ trễ.

Profinet tuân theo thời gian thực với chu kỳ từ 250 µs đến 512 ms, tùy thuộc vào thiết kế mạng. Điều đặc biệt là bạn không cần phần cứng hay cấu hình đặc biệt để sử dụng tính năng thời gian thực của Profinet , vì tất cả các sản phẩm Profinet đều hỗ trợ chức năng này.

Ngoài ra, để nâng cao hiệu suất, Profinet cung cấp Profinet IRT. Profinet IRT loại bỏ độ trễ thay đổi bằng cách tối ưu quy tắc chuyển đổi lưu lượng Ethernet và tạo quy tắc đặc biệt cho lưu lượng Profinet . 

Với Profinet IRT, giao tiếp có thể đạt được đồng bộ hóa với chu kỳ xuống tới 31,25 µs và độ trễ dự kiến thấp, gọi là jitter, chỉ khoảng 1 µs. Profinet IRT là một lựa chọn tùy chọn và thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao như máy đóng gói và máy in.

>>> Xem thêm bài viết liên quan: Latency là gì? Ảnh hưởng của Latency trong trải nhiệm mạng.

5. Cấu tạo của giao thức Profinet

Profinet là một giao thức truyền thông được thiết kế chủ yếu để trao đổi dữ liệu giữa các bộ điều khiển và thiết bị trong một môi trường tự động hóa. Đây là giải pháp Ethernet công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất. Vì Profinet là một tiêu chuẩn mở, nhiều nhà sản xuất đã phát triển các sản phẩm Profinet khác nhau như PLC, Robot, PAC, Proxy, IO, các công cụ chẩn đoán, Ổ cứng,...

Profinet đơn giản chỉ định giao tiếp chu kỳ và không chu kỳ giữa các thành phần khác nhau như chẩn đoán, cảnh báo, an toàn chức năng và thông tin bổ sung. Do đó, Profinet sử dụng Ethernet tiêu chuẩn làm phương tiện truyền thông để kết nối các thành phần này.

Các thành phần Profinet trong mạng được kết nối bằng cáp Ethernet, cho phép các giao thức Ethernet khác cùng tồn tại trong cùng một cơ sở hạ tầng. Ngoài Profinet , bạn có thể sử dụng các giao thức khác dựa trên Ethernet để cân bằng mạng, chẳng hạn như SNMP, OPC UA, HTTP hoặc MQTT.

Kiến trúc Profinet dựa trên mô hình ISO/OSI được hiển thị dưới đây. Profinet được đặt ở 7 layer của mô hình ISO/OSI, đó là layer ứng dụng. Nhìn chung, mô hình ISO/OSI 7 layer định nghĩa các tầng trừu tượng của hệ thống truyền thông.

6. Thành phần của giao thức Profinet

Thành phần của Profinet bao gồm: cáp đồng và cáp quang.

6.1. Cáp đồng Profinet

Cáp đồng Profinet có 4 dây được bảo vệ màu xanh lá cây và hỗ trợ Fast Ethernet lên đến 100 Mbps ở khoảng cách 100 mét. Cáp này hỗ trợ truyền thông Full Duplex, tức là truyền dữ liệu cùng lúc hai hướng. Đối với tốc độ truyền 1 Gbps, sử dụng cáp đồng 8 lõi.

Cáp đồng Profinet có bốn loại: loại A, loại B, loại R và loại C.

• Cáp đồng loại A được sử dụng chủ yếu cho lắp đặt cố định.
• Cáp đồng loại B được sử dụng khi có uốn cong, có khả năng chống rung hoặc chuyển động không thường xuyên.
• Cáp đồng loại R được sử dụng trong các ứng dụng rô-bốt.
• Cáp đồng loại C được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt, có khả năng chống chuyển động và môi trường động, ví dụ như máy quay. Ngoài ra, còn có các loại cáp đồng khác như cáp kéo, cáp chôn ngầm và cáp không ăn mòn chống cháy.

6.2. Cáp quang Profinet

Cáp quang Profinet sử dụng hai dây song song và được lắp ráp trực tiếp các đầu nối. Cáp này có tốc độ lên đến 100 Mbit/s và hỗ trợ giao tiếp song công hoàn toàn.

Cáp quang mang lại nhiều lợi ích như phạm vi truyền thông lên đến hàng km và cung cấp cách ly điện hoàn toàn giữa các khu vực nhà máy. Ngoài ra, cáp quang có khả năng chống nhiễu điện từ. 

Cáp quang có hai loại: loại B và loại C. Cáp quang loại B được sử dụng cho cài đặt linh hoạt hoặc cố định, trong khi cáp quang loại C được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt như rung, chuyển động vĩnh viễn,...

Xem thêm bài viết: Fast Ethernet là gì? Cấu tạo của Fast Ethernet có gì?

7. Phân biệt Profinet và Ethernet

Profinet	Ethernet
Giải pháp Ethernet công nghiệp được phát triển bởi PROFIBUS & PI (Profinet International).	Phương tiện truyền thông mạng rất nổi tiếng được sử dụng để tạo mạng trên toàn cầu.
Được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị và bộ điều khiển.	Được sử dụng để kết nối các nút trong mạng LAN.
Nằm trên tầng ứng dụng của mô hình ISO/OSI vì nó là một ứng dụng.	Nằm trên tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu.
Chạy ở tốc độ truyền rất cao so với Ethernet.	Tốc độ truyền thấp hơn so với Profinet.

8. Phân biệt Profinet và Profibus

Profinet	Profibus
Giao thức cấp trung tâm điều khiển & cấp bộ điều khiển.	Giao thức cấp bộ điều khiển.
Sử dụng cấu trúc liên kết xe buýt.	Sử dụng cấu trúc liên kết vòng mã thông báo.
Chạy trên Ethernet là một hệ thống ngẫu nhiên.	Chạy trên RS485, một hệ thống xe buýt.
Sử dụng cáp có màn chắn 4 cặp.	Sử dụng cáp xoắn đôi có màn chắn.
Chiều dài tối đa của cáp ở giữa hai bộ lặp là 100 mét.	Độ dài tối đa của cáp ở giữa hai bộ lặp từ 100 đến 200 mét dựa trên tốc độ bit.
Tốc độ 1Gbit/giây hoặc 100Mbit/giây.	Tốc độ 12Mbit/giây.
Có thời gian chu kỳ điều chỉnh cho mọi thiết bị.	Có thời gian chu kỳ cố định cho mọi thiết bị.

9. Các cấu trúc liên kết của Profinet

Trong thiết kế mạng, tính linh hoạt và bố trí là những đặc điểm chính của Profinet. Nó hỗ trợ các tùy chọn kết hợp gần như không giới hạn khi sử dụng tất cả các topology Ethernet phổ biến. Có các topology Profinet cơ bản khác nhau, vì vậy, việc lựa chọn topology phù hợp là rất quan trọng cho thiết kế hệ thống tự động hóa Profinet. Sau thiết kế này, topology cần được điều chỉnh. Để thiết lập topology Profinet, có thể cần sử dụng thêm các switch. Các topology Profinet cơ bản khác nhau bao gồm star topology, tree topology, line topology. 

9.1. Star Topology

Star Topology phù hợp cho các khu vực có phạm vi mở rộng không đầy đủ. Topology này được tạo tự động nếu nhiều nút truyền thông được kết nối với một switch chung. Nếu một nút Profinet đơn lẻ gặp sự cố hoặc bị ngắt kết nối, các nút Profinet khác sẽ vẫn hoạt động một cách liên tục. Tuy nhiên, nếu switch trung tâm gặp sự cố, việc truyền thông sẽ bị gián đoạn đến tất cả các nút kết nối.

9.2. Tree Topology

Tree Topology được tạo thành bằng cách kết nối nhiều mạng sao với một mạng duy nhất. Các đơn vị chức năng được tạo thành từ các phần của hệ thống tự động hóa được kết nối với các điểm sao. Do đó, chúng được kết nối thông qua các switch lân cận. Trong điểm sao, một switch đơn lẻ hoạt động như một bộ phân phối tín hiệu.

>>> Cùng tìm hiểu đầy đủ các dạng thức của Topology: Topology là gì? Các dạng thức của Topology

9.3. Line Topology

Line Topology được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy tự động hóa cho băng chuyền và cũng được sử dụng trong các ứng dụng máy nhỏ. Các thiết bị Profinet được trang bị một switch tích hợp để hỗ trợ Line Topology. Khi xảy ra sự gián đoạn trong đường khi sử dụng Line Topology, các thiết bị được sắp xếp sau thiết bị gặp sự cố không thể kết nối được nữa. Điều này có thể được tránh bằng cách mở rộng đường thành một dạng vòng với giao thức dự phòng.

10. Ứng dụng thực tiễn của giao thức Profinet

Tự động hóa quy trình

Profinet được sử dụng để điều khiển và giám sát các quy trình trong ngành công nghiệp, như trong sản xuất và quá trình sản xuất. Nó cho phép truyền dữ liệu nhanh chóng và chính xác giữa các thiết bị và bộ điều khiển trong quy trình tự động hóa.

Tự động hóa tòa nhà

Profinet được áp dụng trong các hệ thống tự động hóa tòa nhà để kiểm soát và quản lý các hệ thống điều hòa không khí, chiếu sáng, an ninh và các thiết bị khác trong một tòa nhà.

Tự động hóa nhà máy

Profinet được sử dụng trong các nhà máy để điều khiển và giám sát các quy trình sản xuất và hoạt động của máy móc. Nó cho phép truyền dữ liệu hiệu quả và đồng bộ giữa các thiết bị và hệ thống trong một môi trường công nghiệp.

Ngành công nghiệp khác nhau

Profinet được áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm ngành khí đốt, ô tô, dầu mỏ, hậu cần và nhiều lĩnh vực khác. Nó giúp kiểm soát và điều khiển các quy trình và hệ thống trong các ngành công nghiệp này.

Xử lý nước và xử lý nước thải

Profinet được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước và xử lý nước thải để điều khiển và quản lý các quy trình xử lý nước, như cung cấp khí nhiên liệu, kiểm soát nồng độ và xử lý nước thải.

Ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống

Profinet được áp dụng trong các nhà máy sản xuất đồ uống, sữa và thực phẩm để kiểm soát và giám sát các quy trình sản xuất và vận hành của các thiết bị và máy móc trong ngành này.

Tạm kết

Profinet là một giao thức Ethernet công nghiệp được sử dụng trong tự động hóa và truyền thông dữ liệu giữa các thiết bị và bộ điều khiển. Đây là một giao thức linh hoạt, hiệu suất cao và khả năng tích hợp dễ dàng vào các mạng Ethernet hiện có. Với các ưu điểm vượt trội và ứng dụng rộng rãi, Profinet đã trở thành một giải pháp quan trọng trong ngành công nghiệp và hệ thống tự động hóa hiện đại.